棉花坑铀矿床绿泥石矿物学特征及其地质意义

2021-05-22赵奇峰陈欣徐勋胜

铀矿地质 2021年3期

赵奇峰，陈欣，徐勋胜

（核工业二七〇研究所，江西南昌 330200）

棉花坑铀矿床位于诸广山岩体南部的长江矿田内，具有规模大、埋藏深、矿化垂幅大、品位高的特点，是矿田内较大的铀矿床。绿泥石化作为矿床重要的围岩蚀变，与铀成矿关系十分密切。在中低温和还原环境形成的矿床中，绿泥石广泛发育且稳定存在，由于其结构上有很大的可变性，在成分上又具非计量性，是地质过程中的重要产物，其成分特征在流体特性、水岩作用环境、成矿过程中的物理化学条件等方面有重要的指示意义［1-3］。因此，很多学者非常重视绿泥石的成分与温度之间的相关性。

棉花坑铀矿床研究程度较高，前人从矿床学、地球化学、同位素地质年代学、岩石学对矿床进行过报道［4-12］，但对蚀变矿物绿泥石的矿物学特征报道相对较少。矿床中绿泥石形成于铀成矿的各个阶段，与铀矿化关系极其密切。本文采用偏光显微镜、电子探针微区分析相结合的方法，对棉花坑床中不同类型的绿泥石开展详细的矿物学研究，进而探讨了绿泥石的形成环境及其与铀成矿的关系。

1 地质背景

棉花坑矿床处于北东向棉花坑断裂和北西向油洞断裂的夹持部位（图1）。铀矿化严格受断裂控制，铀矿体主要赋存在近南北向展布的构造蚀变带中。矿床出露围岩为印支期中粒-中细粒小斑状二云母花岗岩和燕山期中粒黑云母花岗岩以及燕山晚期花岗岩，晚期有中基性岩脉、细晶岩脉侵入。矿体主要呈似脉状、扁豆状或透镜状。矿石物质成分简单，铀主要以铀矿物形式存在，少量呈吸附状，沥青铀矿是矿石中最主要的矿石矿物，由于表生氧化作用，部分矿石发育有钙铀云母、硅钙铀矿等次生铀矿物。黄铁矿、方铅矿是主要的金属矿石，脉石矿物主要有微晶石英、方解石。矿床是早、晚两期构造-热液活动成矿，早期为绢英岩化矿化但被晚期硅化带型构造-热液活动叠加、改造和掩盖。蚀变由矿体中心向外出现规律性变化，近矿蚀变主要为硅化、赤铁矿化、萤石化、绿泥石化，向外围岩蚀变以方解石化、绢英岩化、高岭石化为主。

图1 棉花坑铀矿床地质略图（据黄国龙等，2010［8］）Fig.1 Geological sketch of Mianhuakeng uranium deposi（tafter Huang Guolong et al.，2010［8］）

2 样品采集及分析

绿泥石化作为棉花坑铀矿床重要的找矿标志，研究其矿物学特征并探讨与铀成矿的关系，有助于深化对矿床成因的认识。因此，笔者采集了棉花坑铀矿床地表围岩及深部不同中段样品。采样的原则是由浅至深间隔的采集典型的矿石样品，将所采集的样品磨成探针片，通过镜下观察矿物的共生组合关系筛选出典型的样品进行电子探针分析。绿泥石的成分测试是在核资源与环境国家重点实验室电子探针室完成，仪器型号为JXA-8100 型，配备有牛津Inca Energy 型能谱仪，测试条件：加速电压为15 kV，探针束流为20 nA，电子束斑为1～2 μm。

2.1 绿泥石特征

岩相学观察表明，棉花坑矿床中绿泥石主要呈刀片状、鳞片状、片状集合体、蠕虫状和放射状等形态产出。按照产出的形态分为黑云母蚀变型、长石蚀变型、裂隙充填型及与浸染型等4 类。黑云母蚀变形成的绿泥石常部分或者全部交代黑云母呈叶片状且保留黑云母晶形假象（图2a）。长石蚀变形成的绿泥石常呈蠕虫状、星点状分布在长石的颗粒中，其颗粒比较细小且破碎（图2b）。裂隙充填型绿泥石主要沿石英、长石等造岩矿物的解理、裂隙、空隙充填，绿泥石颗粒较小，局部为团块状（图2c、d），可能是由于绿泥石在成矿流体作用下沉淀形成。浸染型的绿泥石通常与铀矿物共生（图2e、f）。

2.2 绿泥石化学成分特征

图2 棉花坑铀矿床绿泥石的显微特征Fig.2 Microscopic features of chlorite from Mianhuakeng uranium deposit

表1 为绿泥石电子探针分析的化学成分，表2 绿泥石特征值是采用28 个氧原子为标准的结构式计算。由于绿泥石的结构相对较为复杂，且颗粒较小。因此，在开展电子探针元素定量分析时可能会出现偏差。为此，Foster（1962）提出了利用绿泥石的Na2O＋K2O＋CaO含量来判别绿泥石的是否存在混染，即（Na2O＋K2O＋CaO）＞0.5%则被认为绿泥石的探针分析数据存在混染［13］，应予以剔除。基于此，在利用测试数据进行投判别绿泥石类型图解时，需剔除不符合要求的测点。

不同类型绿泥石电子探针化学成分特点：SiO2含量为22.86%～40.08%，均值为27.43%，Al2O3含量为16.61%～23.62%，均值为19.76%，FeO 含量为14.62%～38.66%，均值为32.02%，MgO 含量为1.13%～16.18%，均值为6.32%。整体看来，Si、Fe、Mg 含量的变化范围较大，Si含量的高低指示了原岩的酸性程度不同，Fe 与Mg 含量呈现出此消彼长的现象，暗示其在流体作用过程中Fe 与Mg 在绿泥石内部结构发生置换。而K、Na、Ca 含量变化反映了岩石蚀变的程度。黑云母和长石蚀变型及裂隙充填型绿泥石呈现富Fe、贫Si、Mg 的特征，而浸染型绿泥石呈现富Si、Mg，相对贫Fe 的特征。这种成分差别，反映了不同类型的绿泥石可能形成的物理化学环境存在较大差异，也可能受到原岩性质差异的影响。

2.3 绿泥石类型

采用Foster 在1962 年提出的Fe-Si 分类图解进行绿泥石的分类和命名，对棉花坑铀矿床花岗岩中的绿泥石进行投图（图3），可看出该矿床绿泥石的种类多样，但主要为铁镁绿泥石、蠕绿泥石及铁斜绿泥石。此外，不同成因产生的绿泥石成分上也呈现出一定的差异，由黑云母蚀变形成的绿泥石主要为蠕绿泥石、铁镁绿泥石，由长石蚀变形成的绿泥石主要为铁镁绿泥石、蠕绿泥石，裂隙充填型的绿泥石主要为铁镁绿泥石、蠕绿泥石，浸染型的绿泥石为铁镁绿泥石、铁斜绿泥石。Inoue 在研究热液铀矿床热液蚀变认为，当矿床的环境处于低氧逸度、低pH 值条件下，有利于形成富镁绿泥石，而当矿床转变为还原环境有利于形成富铁绿泥石［14］。上述表明该矿床大多数为富铁绿泥石，指示了该矿床形成于还原环境，说明了还原的环境下有利于铀成矿，这与郭国林等（2012）研究较为一致［11］。

表1 302 铀矿床中绿泥石的电子探针化学成分/%Table 1 Result of EPMA analyses of chlorite from Mianhuakeng uranium deposit

2.4 绿泥石原岩类型判别

Laird（1998）［15］通过数据整合，首次提出了Mg/（Fe＋Mg）-Al/（Al＋Mg＋Fe）关系判别图，且已经被大部分学者用来对绿泥石和其母岩之间的关系进行判别。通常认为，由泥质蚀变形成的绿泥石Al/（Al＋Mg＋Fe）的值都大于0.35，而由铁镁质岩石转化的绿泥石Al/（Al＋Mg＋Fe）的值明显小于0.35［15］。由表2 可知，棉花坑铀矿床绿泥石的Al/（Al＋Mg＋Fe）值介于0.33～0.53 之间，均值为0.39，其中绝大部分的比值大于0.35，有4 个测点等于0.35，M-15-5、M-16-2-a 两个测点低于0.35。在绿泥石Mg/（Fe＋Mg）-Al/（Al＋Mg＋Fe）关系图解中，呈现出明显的正相关性（图4），反映出不同成因及构造环境下，大多数的绿泥石主要来源于泥质岩，极少绿泥石来源于铁镁质岩，可能是在矿床主成矿期，与伴随有中基性脉岩侵入有关。

2.5 绿泥石主要阳离子间的相关性

图3 棉花坑铀矿床绿泥石的分类图解（据Deer 等，1962）Fig.3 Classification of chlorite in Mianhuakeng uranium deposit（after Deer et al.，1962）

通常认为，绿泥石四面体位置上的替换关系通常用绿泥石的AlIV、AlVI的关系图来表示（图4），Xie 等（1997）研究发现，在四面体的位置上钙镁闪石与绿泥石被其它离子替换时，AlIV与AlVI之间的比值将接近1：1［16］。该矿床绿泥石的AlIV值介于0.62～2.73，AlVI值介于2.38～4.78。由图可知，AlIV与AlVI呈现出较好的负相关性，表明八面体上AlVI对Fe、Mg 替换远高于AlIV对Si 的替换比例，但它们并不是1：1的线性关系，暗示钙镁闪石型替换关系不在棉花坑矿床的绿泥石四面体位置上。矿床中4 类绿泥石的AlVI值都大于AlIV，表明绿泥石中的Fe3+含量较少，可能是由于AlVI在八面体上对铁或镁置换所造成的。由图4 可知，AlIV与Mg/（Fe＋Mg）呈现较好的负相关性，AlIV与Fe/（Fe＋Mg）也有良好的正相关性，表明四面体上AlIV对硅的置换时，铁对镁在八面体位置上也同时进行了置换，使得绿泥石中Fe 的含量在增加，而Mg 的含量在降低，由于Fe 在对Mg 置换的过程中，会导致绿泥石结构的发生变化，反而更加的促使AlIV对Si 的置换［16］。

Xie 等（1997）在研究Barberton 绿岩带中绿泥石发现，如果绿泥石是在一次地质作用产出的［16］，其主要阳离子与Mg 会呈现较好的线性关系。从图5 可看出，Mg-Si 显示弱的正相关性，Mg-Fe 和Mg-AlIV虽呈现较明显负相关性，而Mg-AlVI明显没有相关性，反映出棉花坑铀矿床中发育的绿泥石是在多期次热液作用过程中产出的。

图4 棉花坑铀矿床绿泥石中离子的相关性图解Fig.4 Correlation diagram of iron of chlorite from Mianhuakeng uranium deposit

图5 棉花坑铀矿床绿泥石中主要阳离子与镁的关系Fig.5 The relation of major cation and magnesium of chlorite from Mianhuakeng uranium deposit

3 地质意义

3.1 绿泥石的形成温度及环境

热液型矿床绿泥石较为发育，且稳定存在，结构上具有很大可变性。以往对绿泥石成分和结构的变化与其形成的温度之间的关系做了很多研究［17-23］。Cathelineau 在1985 年研究墨西哥的Los Azufres 和Salton Sea 地热体系中的绿泥石的成分与温度之间的相关性时，提出了利用AlIV作为绿泥石的固溶地质温度计，并提出了相关温度线性方程t=212AlIV＋18［23］。该方程后经Cathelineau 和Nieva 在1988 年添加了Salton Sea 地热系统的数据修改后的公式为t＝－61.92＋321.98AlIV。以上两个公式只考虑了AlIV对形成温度的影响，并未考虑全岩其他参数对其形成温度的影响，于是Kranidiotis 和Maclean 在考虑了AlIV对温度的影响基础之上，并考虑了Fe2+、Mg2+与温度之间存在的关系，提出了的又一公式为t=106［AlIV＋0.35Fe2+/（Mg2+＋Fe2+）］＋18，该公式只适用于Al 含量较多的绿泥石。因此，Jowet 在1991 年在上述基础上对公式进行了修正：t=319［AlIV＋0.1Fe2+/（Mg2+＋Fe2+）］－69，但此公式必须要符合两个要求：Fe2+/（Mg2+＋Fe2+）＜0.6；温度适用范围为150～325 ℃。于是在1991 年Rauselicolom 等通过研究绿泥石成分与d（001）之间的线性关系，提出了 d（001）=14.539－0.1155AlIV－0.0201Fe2+的计算公式。Battaglia 在1999 年通过运用XRD 数据探讨绿泥石的地质温度实验中，发现了绿泥石形成的温度与d（001）之间具一定的线性关系，随提出了d（001）=14.379－0.001t。

综合上述研究状况，可以看出Cathelineau 提出的公式只考虑了AlIV对其的影响而未考虑绿泥石其它成分对其的影响，而据上述所研究的绿泥石又发现AlIV与铁、镁离子都具一定正或负相关性，且Cathelineau 只是根据Los Azufres 和Salton Sea 两个地区的地热系统推测出温度与AlIV之间的相关性。因此，该公式可能受到地域性的影响，并不代表其能适用于任何地区，所以本文研究绿泥石的温度不宜采用Cathelineau 公式计算。同样，因为Jowett 公式要求Fe2+/（Mg2++Fe2+）＜0.6，但从表2 可以看出，Fe2+/（Mg2++Fe2+）值绝大部分都大于0.6，所以研究绿泥石的形成温度也不应采用Jowett 公式计算。因此，根据前人研究状况及本文绿泥石中各个离子的参数情况，应该选用Rauselicolom提出的公式来计算绿泥石形成温度。研究结果显示，187～297 ℃是棉花坑铀矿床的绿泥石形成温度主要变化范围。其中黑云母蚀变类型的绿泥石形成温度介于228～266 ℃之间，均值为256 ℃，长石蚀变类型的绿泥石形成温度介于197～278 ℃之间，均值为239 ℃，裂隙充填型的绿泥石形成温度介于187～245 ℃，均值225 ℃，浸染型的绿泥石形成温度介于187～217 ℃，均值为202 ℃。上述结果表明，棉花坑铀矿床的矿前期蚀变形成的绿泥石至矿后期产出的绿泥石的形成温度呈现出逐渐降低的规律，而浸染型绿泥石的形成温度与成矿期流体的温度接近，反映出矿床是在中低温的环境下生成的。

3.2 绿泥石的形成机制

该矿床绿泥石化较为发育，通过岩相学观察绿泥石的产出特征，再结合电子探针定量分析绿泥石的成分之后计算的形成温度，将其形成机制划分为溶蚀-沉淀结晶和溶蚀-迁移-沉淀结晶两种机制。在溶蚀-沉淀结晶机制中，黑云母和长石蚀变形成的绿泥石是这种机制下产出的，主要表现在热液流体在花岗类岩石作用过程中，交代了黑云母、长石等造岩矿物，在原地形成绿泥石，通常黑云母会保留自己原有的晶型，并保留原矿物的晶型，展现出交代蚀变的特征（图2a、b）。在溶蚀-迁移-沉淀结晶机制中，即在相对氧化及酸性富铀或富铁、镁的热液流体在溶蚀了铁镁硅酸盐矿物后，并萃取围岩中的Fe、Mg 等元素，迁移到黑云母、长石、石英等造岩裂隙或者晶隙中沉淀结晶，形成脉状充填型和浸染型的绿泥石（图2c、d），这种机制形成的绿泥石多同时伴随其它的热液作用，导致成矿作用的发生。

3.3 绿泥石化与铀成矿的关系

棉花坑铀矿床绿泥石化过程与铀成矿关系主要体现以下两个方面。

3.3.1 能够提供铀成矿所需的沉淀环境

产铀花岗岩体在发生绿泥石化的过程时，促使了岩体中黑云母产生蚀变形成绿泥石，使得岩石的物理化学性质发生转变，导致岩石质地疏松、孔隙变大、渗透性变好。在氧逸度和pH 值都较低的情况下，使富铀流体中的六价铀被还原四价铀沉淀下来，表明绿泥石产出能够提供铀成矿所需的沉淀环境。

3.3.2 促使铀的活化、迁移以及沉淀

富铀岩体中的铀能否被活化、迁移，是否能够富集成矿，其关键性的决定因素是岩石蚀变的过程中是否能导致花岗岩体中铀由惰性向活性转变。黑云母蚀变型不但继承了原岩中分布在黑云母中的含铀副矿物的裂变径迹特征，而且通过吸附作用叠加了一部分黑云母绿泥石化过程中释放出来的铀［24］。这种蚀变过程导致了产铀岩体中的铀赋存状态发生改变，致使岩体中惰性铀转化成活性铀。上述研究表明，该矿床广泛发育富铁绿泥石，说明铀矿的形成环境为相对酸性的还原环境。而当这种相对酸性的还原环境影响了富铀热液原有的物理化学平衡时，会导致铀酰与配位阴离子脱离，并被再次还原、沉淀，形成以四价铀为主的铀矿物，在此过程中，铀载体的平衡遭到破坏，致使富铀溶液中的铀沉淀下来［25-26］。